Schichtenspeicher Solarthermie

Bei der Anschaffung eines Schichtenspeichers sollte zunächst geprüft werden, ob der gegebene Kellerraum die nötige Raumhöhe aufweist, denn je nach Typ des Schichtenspeichers kann er unterschiedliche Höhen aufweisen. Prinzipiell ist die Bauart eines Schichtenspeichers hoch und schmal, denn dies ist die Voraussetzung für die Bildung der unterschiedlich temperierten Wasserschichten. Zwar können die Anschaffungskosten eines Schichtenspeichers etwa doppelt so hoch ausfallen als die eines herkömmlichen Puffer- oder Kombispeichers, doch lohnt sich diese Anschaffung bereits nach wenigen Jahren. Wir möchten Ihnen mit diesem Artikel gerne die Funktion eines Schichtenspeichers näher bringen.

Schichtenspeicher,Kombispeicher

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Bessere Nachheizung und höherer Wärmegehalt durch Schichtenspeicher

Während sich das Wasser in anderen Speichern von thermischen Solaranlagen miteinander vermischt, besteht ein Schichtenspeicher aus Ebenen mit verschiedenen Wassertemperaturen. Das Prinzip des Schichtenspeichers ist leicht zu erklären, ausschlaggebend dafür ist die Dichte des Wassers. Je wärmer das Wasser ist, desto leichter wird es und steigt nach oben. Bei kaltem Wasser gilt dieses Prinzip genau andersherum. Je kälter das Wasser ist, desto schwerer wird es und sinkt nach unten. Deshalb wird das benötigte Wasser aus dem oberen Teil des Schichtenspeichers genutzt, da diese Ebene den höchsten Wärmegehalt aufweist. Dadurch wird eine effektive Nachheizung gewährleistet und die Komponenten der Solarthermieanlage erreichen durch den Schichtenspeicher wesentlich höhere Nutzungsgrade.
Damit sich die Schichten des Speichers optimal bilden können, ist die Bauart des Schichtenspeichers schmal und hoch. Je nach Temperatur wird das Wasser in den entsprechenden Teil des Schichtenspeichers befördert. Somit wird ein Durchmischen des Wassers oder Wärmeverluste vermieden.
Im Schichtenspeicher befindet sich ein Solar-Wärmetauscher der das Wasser unterschiedlich temperiert, um es in die vorgesehene Schicht zu befördern.
Dadurch ist das unten befindliche Wasser zwar relativ kalt, im oberen Teil jedoch umso wärmer, womit die durchschnittliche Temperatur wesentlich höher ist als bei anderen Speichertypen einer thermischen Solaranlage ohne Schichtenspeicher.

Aufbau und Funktion

Wie bereits oben erwähnt, arbeitet der Schichtenspeicher nach dem simplen, physikalischen Prinzip das warmes Wasser leichter ist als kaltes Wasser und somit das kalte Wasser stets sinkt und warmes Wasser aufsteigt. Der Speicher arbeitet genau nach dieser Weise und wird durch mehrere technische Feinheiten unterstützt.
Es kann sogar vorkommen, dass das Wasser im oberen Bereich des Tanks bis zu 90° C warm wird, während der untere Teil des Speichers lediglich eine Temperatur von 30° C aufweist. Die Merkmale eines guten Pufferspeichers möchten wir Ihnen gerne mit einer kleinen Checkliste aufzeigen:

• Je höher ein Schichtenspeicher ist, desto größer können die Temperaturunterschiede werden. Es gibt sogar Speicherkonzepte, auch Langzeit-Speicher genannt, die über mehrere Stockwerke reichen und oftmals umgibt sich um den Speicher eine Treppe. Somit kann ein maximaler Temperaturunterschied hergestellt werden. Durch diesen Langzeitspeicher ist es sogar möglich den Bedarf an Heizwasser ganzjährig komplett zu decken.
• Der Schichtenspeicher ist am effektivsten, wenn er eine gute Schichtung aufweist, quasi eine hohe Temperaturdifferenz zwischen dem oberen und unteren Bereich des Speichers. Falls jedoch eine Heizungspumpe Wasser unter Druck in den Speicher pumpt, jedoch an anderer Stelle wieder Wasser abgepumpt wird, findet eine starke Verwirbelung statt. Durch diese Durchmischung verliert der Speicher enorm an Effizienz. Es besteht jedoch die Möglichkeit die Zu- und Abläufe mit einem Beruhigungsblech zu versehen, um Verwirbelungen stark zu reduzieren.
• Wasser welches zurück in den Speicher befördert wird, kann unterschiedliche Temperaturen aufweisen. Je nachdem an welcher Stelle das Wasser wieder in den Speicher eingebracht wird, kann die Temperatur des einströmenden Wassers eine andere Temperatur, als das vorhandene Wasser besitzen. Sollte das einströmende Wasser wärmer sein, strömt es durch die Dichte nach oben und bei kälterem Wasser nach unten. Dies sorgt unweigerlich zu Bewegungen im Speicher und somit zu Verwirbelungen.

Thermische Solaranlage und der Schichtenspeicher

Wenn eine thermische Solaranlage zur Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung eingesetzt wird, empfehlen wir Ihnen einen durchdachten Schichtenspeicher. Die Solarstation, die sich zwischen Speicher und Solaranlage befindet, beinhaltet die Solarsteuerung. Die Solarsteuerung ist auf eine Temperaturdifferenz von 10 Grad eingestellt. Somit beginnt die Solarpumpe automatisch Energie von der Solaranlage in den Speicher zu transportieren, sobald die Solaranlage 10° C wärmer ist als die Umgebungstemperatur des Solarwärmetauschers im Speicher.

Je kälter also der untere Bereich (die Umgebung des Solarwärmetauschers) des Speichers ist, desto eher erzielt die thermische Solaranlage Erträge. Wenn um den Solarwärmetauscher 20° C herrschen, kann eine Solarthermieanlage bei 30° C arbeiten. Es ist wichtig, dass nur wenig Wasser erwärmt wird.

Höhere Effektivität durch Solarpumpe

Schichtenspeicher werden lediglich für Solarthermieanlagen mit Heizungsunterstützung genutzt. Durch diesen Speicher werden wesentlich höhere Wirkungsgrade erzielt, da die Solarpumpe der Anlage wesentlich effektiver arbeiten kann um mehr Wärme über den Solarkreislauf an den Schichtenspeicher abzugeben.
Bei thermischen Solaranlagen mit traditionellen Pufferspeichern arbeitet der Solarkreislauf nur so lange, bis das im Kollektor befindliche Wasser die gleiche Temperatur aufweist wie das Wasser im Pufferspeicher, danach schaltet sie sich ab. Da das Wasser im unteren Bereich des Schichtenspeichers jedoch so kalt ist, kann der Solarkreislauf weiter betrieben werden und die Kollektoren können weiterhin Wärme an den Speicher abgeben.

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Schichtenverhalten in einer Rücklaufeinschichtung in falscher Temperaturzone

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Richtige Einschichtung der Temperaturen im Rücklauf

Wenn zurückkommendes Wasser in einer Stelle des Speichers einbringt indem andere Temperaturen herrschen, sorgt dies unweigerlich zu Verwirbelungen. Leitet man zum Beispiel heißes Wasser in ein Gefäß das kaltes Wasser beinhaltet, steigt das Wasser auf.
Aus diesem Grund wurden Einschichtungsrohre konstruiert, die auf unterschiedlichen Höhen Löcher aufweisen. Somit fließt das Wasser im Rohr so lange nach oben oder unten, bis es an der geeigneten Stelle mit der gleichen Temperatur austreten kann.

Lade-Rohr, Leit-Bleche, Zulauf- und Ablaufberuhigung

Ein System lässt sich jedoch weiter verbessern um Verwirbelungen innerhalb eines Schichtenspeichers zu minimieren und die Schichtungen zu optimieren. Zum Beispiel gibt es die Schichten-Leitbleche, auch Schichtungsbleche genannt. Dieses Blech ist lediglich ein Lochblech, welches eine Verwirbelung zwar nicht komplett ausschließen, jedoch minimieren kann.
Die Schicht-Lade-Rohre oder auch Einschichtungsrohre genannt, sorgen dafür, dass das Rücklaufwasser an der thermisch passenden Stelle in den Speicher befördert wird.
Zu- und Ablaufberuhigung sind dafür zuständig, dass durch den Druck der Pumpe nicht die Schichtung zerstört wird.

Beispiel: Der Schwarze Speicher

Sie kaufen sich einen Speicher und stellen ihn im Garten auf. Sie streichen ihn schwarz, damit er möglichst viel Wärme aufnimmt. Wenn die Sonne auf den Speicher scheint, erwärmt er sich. Da warmes Wasser eine geringere Dichte aufweist als kaltes Wasser, steigt also das warme Wasser nach oben und das kalte Wasser nach unten und dadurch entstehen unterschiedlich temperierte Schichten. Gehen wir von einer Temperatur im oberen Bereich von circa 50° C und im unteren Bereich von 20° C aus. Somit müssten im mittleren Teil etwa 35° C herrschen. Würde man den Speicher allerdings schütteln, würden die Schichten zerstört werden und sich eine Mischwassertemperatur von 35° C einstellen.
Wäre dieser Speicher zum Beispiel mit einer Heizungsanlage in einem Gebäude verbunden, wäre das im Beispiel genannte Schütteln in diesem Fall der Durchfluss und falsches einlagern der Temperaturen.

Schichtenverhalten bei Stillstand und Durchfluss

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Vorteile des Schichtenspeichers

1. Durch die durchdachten technischen Details eines Schichtenspeichers, wird eine Verwirbelung des Wassers vermieden. Das Wasser kann außerdem in verschiedene Wärmeschichten gespeichert werden, was automatisch zur Effizienzsteigerung Ihrer Anlage führt.
2. Das Wasser wird in unterschiedlichen Temperaturbereichen durch das Schichtsystem gespeichert. Je nach Bedarf wird somit das Wasser aus den verschiedenen Wärmeschichten entnommen.
3. Da der Speicher bis zu 90° C erwärmt werden kann, werden dadurch größtmögliche Wärmeerträge und ein effizienter Verbrauch von Brauchwasser ermöglicht. Somit wird die erzeugte Wärme einer thermischen Solaranlage mit einem Schichtenspeicher noch effizienter genutzt und gespeichert.

Nachteile eines Schichtenspeichers

1. Der Schichtenspeicher kann doppelt so hohe Anschaffungskosten verursachen als ein herkömmlicher Pufferspeicher, deshalb sollten Sie sich mehrere Angebote zukommen lassen und diese miteinander vergleichen.
2. Achten Sie auf eine gute Isolierung des Schichtenspeichers, da ansonsten viel Energie verloren geht. Ein Schichtenspeicher sollte mindestens eine Isolierung von 10cm, besser sogar noch 12cm aufweisen.

Preise eines Schichtenspeichers

Die Preise eines Schichtenspeichers können je nach Qualität und Ausführung stark variieren. Die technischen Details eines Schichtenspeichers sind sehr vielfältig und unterschiedlich, jedoch lohnt sich die Investition in einen Schichtenspeicher auf jeden Fall. Bei einer thermischen Solaranlage mit Heizungsunterstützung ist der Einsatz eines Schichtenspeichers sehr wichtig, da somit ein wesentlich höherer Solarertrag möglich ist.
Die Anschaffungskosten eines Schichtenspeichers liegen bei 1.100–3.500 €, doch der durchschnittliche Preis liegt etwa bei 1.600 €.

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